Aplicaciones y Conexiones
Sitio: | PROFEARAUCO.CL |
Curso: | Media 3 |
Libro: | Aplicaciones y Conexiones |
Imprimido por: | Invitado |
Día: | miércoles, 2 de julio de 2025, 20:36 |
Descripción
1. Ecuaciones de Segundo Grado con Soluciones Complejas
Ecuaciones de Segundo Grado con Soluciones Complejas
Repaso: Ecuaciones de Segundo Grado y la Fórmula Cuadrática
Una ecuación de segundo grado (o ecuación cuadrática) tiene la forma general:
\[ ax^2 + bx + c = 0 \]
donde a, b y c son números reales, y a ≠ 0.
La *fórmula cuadrática* nos da las soluciones de esta ecuación:
\[ x = \frac{-b \pm \sqrt{b^2 - 4ac}}{2a} \]
El Discriminante y el Tipo de Soluciones
La expresión dentro de la raíz cuadrada, \( b^2 - 4ac \), se llama el *discriminante* de la ecuación cuadrática. El discriminante determina el *tipo* de soluciones que tiene la ecuación:
- Si \( b^2 - 4ac > 0 \): La ecuación tiene dos soluciones reales y distintas.
- Si \( b^2 - 4ac = 0 \): La ecuación tiene una solución real (repetida).
- Si \( b^2 - 4ac < 0 \): La ecuación *no tiene soluciones reales*. Aquí es donde entran en juego los números complejos.
Soluciones Complejas
Cuando el discriminante es negativo, la raíz cuadrada en la fórmula cuadrática produce un número imaginario. Esto significa que las soluciones de la ecuación son *números complejos*.
Ejemplo: Resolver \( x^2 + 2x + 5 = 0 \)
- Identificamos a, b y c: a = 1, b = 2, c = 5.
- Calculamos el discriminante: \( b^2 - 4ac = 2^2 - 4 \cdot 1 \cdot 5 = 4 - 20 = -16 \)
- Como el discriminante es negativo, las soluciones serán complejas.
- Aplicamos la fórmula cuadrática: \[ x = \frac{-2 \pm \sqrt{-16}}{2 \cdot 1} = \frac{-2 \pm \sqrt{16} \cdot \sqrt{-1}}{2} = \frac{-2 \pm 4i}{2} \]
- Simplificamos: \[ x = \frac{-2}{2} \pm \frac{4i}{2} = -1 \pm 2i \]
Las soluciones son \( x_1 = -1 + 2i \) y \( x_2 = -1 - 2i \) (son complejas conjugadas).
Interpretación Gráfica
Recordemos que las soluciones reales de una ecuación cuadrática corresponden a los puntos donde la parábola \( y = ax^2 + bx + c \) intersecta el eje x. Si la ecuación *no tiene* soluciones reales (es decir, si tiene soluciones complejas), significa que la parábola *no corta* el eje x.
(En Moodle, insertar aquí una imagen que muestre una parábola que no corta el eje x).
Ejercicios
Ejercicio 1: Calcula el discriminante de las siguientes ecuaciones cuadráticas y determina si tienen soluciones reales o complejas:
- \( x^2 - 4x + 3 = 0 \)
- \( x^2 + 2x + 1 = 0 \)
- \( x^2 + x + 1 = 0 \)
- \( 2x^2 - x + 3 = 0\)
Ejercicio 2: Resuelve las siguientes ecuaciones cuadráticas (si las soluciones son complejas, exprésalas en forma binomial):
- \( x^2 - 6x + 9 = 0 \)
- \( x^2 + 4 = 0 \)
- \( x^2 - 2x + 2 = 0 \)
- \( 2x^2 - x + 1 = 0 \)
- \( x^2 + 9 = 0 \)
- \( x^2 - 4x + 5 = 0 \)
- \( 3x^2 + 2x + 1 = 0 \)
- \( x^2 + x + 1 = 0\)
Ejercicio 3: Escribe una ecuación de segundo grado que tenga como soluciones:
- 2 + i y 2 - i
- -1 + 3i y -1 - 3i
- i y -i
- 2i y -2i
- 1 + √2i y 1 - √2i
- -3 + (1/2)i y -3 - (1/2)i
Ejercicio 4: ¿Es posible que una ecuación cuadrática con coeficientes *reales* tenga *una sola* solución compleja? Justifica tu respuesta.
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2. Números Complejos y Circuitos de CA
Números Complejos y Circuitos de Corriente Alterna (CA)
Introducción
Los números complejos son una herramienta *esencial* en el análisis de circuitos de corriente alterna (CA). A diferencia de la corriente continua (CC), donde la corriente y el voltaje son constantes, en la CA varían sinusoidalmente con el tiempo. Esta variación hace que el análisis sea más complejo, y los números complejos nos ayudan a simplificarlo.
Conceptos Básicos (Simplificados)
- Impedancia (Z): Es la "resistencia" total que un circuito de CA ofrece al paso de la corriente. Es un número *complejo*.
- Parte Real: Resistencia (R).
- Parte Imaginaria: Reactancia (X).
- \( Z = R + jX \) ("j" es la unidad imaginaria en ingeniería eléctrica).
- Componentes Pasivos:
- Resistencia (R): Z = R
- Inductor (L): Z = jωL (ω es la frecuencia angular)
- Capacitor (C): Z = 1/(jωC) = -j/(ωC)
Cálculo de Impedancias
- Serie: \( Z_{total} = Z_1 + Z_2 + ... + Z_n \) (suma directa)
- Paralelo: \( \frac{1}{Z_{total}} = \frac{1}{Z_1} + \frac{1}{Z_2} + ... + \frac{1}{Z_n} \)
Ejemplo 1: Resistencia e Inductor en Serie
R = 100 Ω, L = 0.5 H, ω = 100 rad/s
ZR = 100 Ω
ZL = jωL = j * 100 * 0.5 = 50j Ω
Ztotal = ZR + ZL = 100 + 50j Ω
Ejemplo 2: Resistencia y Capacitor en Serie
R = 200 Ω, C = 10 μF (microfaradios), ω = 1000 rad/s
ZR = 200 Ω
ZC = -j/(ωC) = -j / (1000 * 10 * 10-6) = -j / 0.01 = -100j Ω
Ztotal = ZR + ZC = 200 - 100j Ω
Ejemplo 3: Resistencia e Inductor en Paralelo
R = 100 Ω, L = 0.5 H, ω = 100 rad/s
ZR = 100 Ω
ZL = jωL = j * 100 * 0.5 = 50j Ω
\( \frac{1}{Z_{total}} = \frac{1}{Z_R} + \frac{1}{Z_L} = \frac{1}{100} + \frac{1}{50j} \)
Para sumar las fracciones, necesitamos un denominador común. Multiplicamos la segunda fracción por -j/-j:
\( \frac{1}{Z_{total}} = \frac{1}{100} - \frac{j}{50} \)
Encontramos un denominador común:
\(\frac{1}{Z_{total}} = \frac{1 - 2j}{100} \)
Invertimos para obtener Ztotal:
\(Z_{total} = \frac{100}{1 - 2j}\)
Multiplicamos por el conjugado para obtener la forma binomial:
\( \frac{100}{1 - 2j} = \frac{100}{1 - 2j} * \frac{1+2j}{1+2j} =\frac{100+200j}{5} = 20 + 40j \)Ejercicios
Ejercicio 1: Un circuito en serie tiene una resistencia de R = 50 Ω y un inductor con impedancia j30 Ω. Calcula la impedancia total del circuito.
Ejercicio 2:Un circuito en serie tiene una resistencia de R = 200 Ω y un capacitor con impedancia -j50 Ω. Calcula la impedancia total.
Ejercicio 3: Dos impedancias, Z1 = 100 Ω y Z2 = 200j Ω, están conectadas en paralelo. Calcula la impedancia total (aproximada).
Ejercicio 4: Representa en el plano de Gauss, Z1= 20+40j, y Z2= -60-10j, y la resultante de sumarlas.
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3. Conjeturas y Exploración con Números Complejos
Conjeturas y Exploración con Números Complejos
Más Allá de los Cálculos
Hemos aprendido a representar, operar y aplicar los números complejos. Ahora, vamos a explorar algunas preguntas más abiertas, que te invitarán a pensar, experimentar y hacer tus propias conjeturas.
No siempre hay una única respuesta "correcta". Lo importante es el proceso de exploración y razonamiento.
Exploraciones y Preguntas
Exploración 1: Potencias de Números Complejos
- Calcula: \((1 + i)^2\), \((1 + i)^3\), \((1 + i)^4\), \((1 + i)^5\). ¿Observas algún patrón?
- Calcula: \((1 - i)^2\), \((1 - i)^3\), \((1 - i)^4\), \((1-i)^5\). ¿Observas algún patrón?
- Representa los resultados de los apartados anteriores en el plano complejo. ¿Qué observas geométricamente?
- Intenta generalizar: ¿Qué crees que ocurrirá con \((1 + i)^n\) y \((1 - i)^n\) para valores grandes de *n*?
- (Más difícil) ¿Puedes encontrar una fórmula general para \((1 + i)^n\)? (Pista: piensa en el módulo y en el ángulo que forma el vector con el eje real).
Exploración 2: Módulo y Conjugado
- Elige varios números complejos diferentes (algunos con parte real y parte imaginaria, algunos reales, algunos imaginarios puros).
- Para cada número complejo *z*, calcula su conjugado (\(\bar{z}\)), su módulo (|z|), y el producto \( z \cdot \bar{z} \).
- ¿Qué observas sobre la relación entre \( z \cdot \bar{z} \) y \( |z| \)? Intenta formular una conjetura.
- ¿Puedes *demostrar* tu conjetura algebraicamente? (Recuerda que \( z = a + bi \) y \( \bar{z} = a - bi \)).
Exploración 3: Ubicación en el Plano Complejo
- Elige varios números complejos que tengan el mismo módulo (por ejemplo, módulo 2). Represéntalos en el plano complejo. ¿Qué observas?
- Elige varios números complejos que tengan la misma parte real. Represéntalos. ¿Qué observas?
- Elige varios números complejos que tengan la misma parte imaginaria. Represéntalos. ¿Qué observas?
- (Más difícil) Elige varios números complejos cuyo *producto* sea un número real. ¿Qué relación hay entre sus ubicaciones en el plano complejo?
Ejercicio 4 ¿Cuánto vale \(i^{12345}\)?
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4. Ejercicios de Selección Múltiple - Aplicaciones
Ejercicios de Selección Múltiple - Aplicaciones
Subunidad 4: Aplicaciones y Conexiones de los Números Complejos
Instrucciones: Elige la alternativa correcta. Haz clic en "Mostrar/Ocultar Solución" para ver la respuesta.
Ejercicio 1: ¿Cuáles son las soluciones de la ecuación x2 + 9 = 0 ?
- 3 y -3
- 3i y -3i
- 9 y -9
- 9i y -9i
- No tiene solución.
Ejercicio 2: ¿Cuál es el discriminante de la ecuación cuadrática x2 - 4x + 5 = 0 ?
- -4
- 36
- 4
- -36
- 16
Ejercicio 3: Si el discriminante de una ecuación cuadrática es negativo, ¿qué tipo de soluciones tiene la ecuación?
- Dos soluciones reales distintas.
- Una solución real (repetida).
- Dos soluciones complejas conjugadas.
- No tiene solución.
- Una solución real y una compleja.
Ejercicio 4: Resuelve la ecuación x2 + 2x + 2 = 0
- -1 + i, -1 - i
- 1 + i, 1 - i
- 2 + i, 2 - i
- -2 + i, -2 - i
- No tiene solución.
Ejercicio 5: En un circuito de CA, la impedancia de una resistencia es ZR = 100 Ω, y la impedancia de un inductor es ZL = 50j Ω. Si estos componentes están en *serie*, ¿cuál es la impedancia total del circuito?
- 150 Ω
- 50 Ω
- 100 + 50j Ω
- 100 - 50j Ω
- 5000j Ω
Ejercicio 6: Si la impedancia total de un circuito de CA es Z = 3 - 4i Ω, ¿cuál es la *magnitud* de la impedancia?
- 3 Ω
- 4 Ω
- 5 Ω
- 7 Ω
- -1 Ω
Ejercicio 7: Si Z1 y Z2, son impedancias complejas, y se sabe que están en paralelo. ¿Cuál de las siguientes expresiones es la correcta para obtener la impedancia total ZT?
- ZT = Z1 + Z2
- ZT = Z1 * Z2
- 1/ZT = Z1 + Z2
- 1/ZT = 1/Z1 + 1/Z2
- ZT = Z1 - Z2
Ejercicio 8: En un circuito de CA, la impedancia total es Z = 6 + 8i Ω. ¿Cuál es la *resistencia* del circuito?
- 6 Ω
- 8 Ω
- 10 Ω
- 6 + 8i Ω
- No se puede determinar.
Ejercicio 9: En un circuito de CA, la impedancia total es Z = 6 + 8i Ω. ¿Cuál es la *reactancia* del circuito?
- 6 Ω
- 8 Ω
- 10 Ω
- 6 + 8i Ω
- No se puede determinar.
Ejercicio 10: ¿Cuál de las siguientes *no* es una aplicación común de los números complejos?
- Análisis de circuitos de corriente alterna.
- Resolución de ecuaciones cuadráticas.
- Representación de ondas electromagnéticas.
- Cálculo de áreas de figuras geométricas.
- Procesamiento de señales.
Ejercicio 11: La impedancia de un circuito en CA a cierta frecuencia es Z = 40 + 30j Ω. Si se duplica la frecuencia, ¿cuál de los siguientes cambios es MÁS probable que ocurra? (Nota: No se necesita un cálculo exacto, solo una comprensión cualitativa).
- La resistencia disminuye a la mitad.
- La reactancia se mantiene igual.
- La reactancia inductiva aumenta, y la capacitiva disminuye.
- La reactancia capacitiva aumenta, y la inductiva disminuye.
- La resistencia se duplica.
Ejercicio 12: Si al resolver una ecuación de segundo grado, el resultado de aplicar la resolvente, arroja como resultado: x= (-4±√-16)/6 ¿Cuáles son las soluciones de la ecuación?
- x = 4/6 , x= -16/6
- No tiene solución en los reales.
- x= -4+16i , x=-4-16i
- x= -2/3 + 2/3 i, x=-2/3 - 2/3i
Ejercicio 13: El voltaje aplicado a un circuito de CA es V = 10 + 5i voltios, y la corriente resultante es I = 2 - i amperios. Calcula la impedancia Z del circuito (recuerda que, análogamente a la Ley de Ohm en CC, V = I * Z en CA).
- 5 + 5i Ω
- 5 - 5i Ω
- 20 - 5i Ω
- 2 + i Ω
- No se puede calcular.
Ejercicio 14: Si la impedancia de un circuito es Z = R + jX, donde R es la resistencia y X es la reactancia, ¿cuál es la *magnitud* de la impedancia, |Z|?
- R
- X
- R + X
- √(R² + X²)
- R² + X²
Ejercicio 15: ¿Cuál de las siguientes afirmaciones sobre la relación entre los números complejos y los circuitos de CA es *falsa*?
- La impedancia en un circuito de CA se puede representar como un número complejo.
- La parte real de la impedancia representa la resistencia.
- La parte imaginaria de la impedancia representa la reactancia.
- La suma de impedancias en serie se realiza sumando directamente los números complejos.
- La impedancia total en un circuito de CA siempre es un número real.